1、自熔合金粉末的研究自熔合金粉末的研究文件管理序列号：K8UYK9IO69O6M243OL889自熔合金粉末的研究【作 者】：朱润生【机 构】：上海亿通宝特种粉末有限公司！ 上海200439【关键词】：自熔合金粉末；固液相;喷焊【摘 要】： 介绍了研制用于喷焊的線基、钻基、铁基、碳化鹄弥散型和铜基等5 类16个牌号的白熔合金粉末的化学成分、物理性能及喷焊层的金相显 微组织、特性和用途。所研制的線基合金中，铁含量增至8%15 % ;钻 基合金中，加入了 10 %2 9%的银和7%15 %的铁。从而节约大量線 和钻贵重元素，并降低合金的生产成本。【全文】：自70年代后期以來，上海钢铁研究所先后研制成
2、功線基、钻基、 铁基、碳化鹄弥散型和铜基5类16个牌号自熔合金粉末，并通过了冶 金工业部的系列定型鉴定。该技术已在冶金、矿山、机械、电力、金 属制品、轻工、石油、化工、汽车、船舶、煤炭和玻璃模具等行业广 泛应用，获得了显着的直接经济效益和社会效益。国内直接或间接采用 本研究成果生产的厂家，亦均获成功，且开发了新的牌号，并从国外引进 新材料和新技术,进一步促进我国热喷涂技术的迅速发展。为了更好推广这项成果，笔者对资料进行了整理并撰写成文，以期 对我国自熔合金粉末的进一步发展起到推动作用。1、線基自熔合金 粉末最早的自熔合金以線基合金为基础。当線和儿种元素如硼、硅、銘、铝和铜等组成合金时，合金熔点
3、降低到易被氧一乙块火焰所熔化的 范围。線的熔点为1453C,加入适量硼、硅和其它元素后，合金具有温 度在1000C左右的固液相状态，而且可在HRC25HRC65之间调节硬度, 并具有耐磨、耐蚀和抗氧化性能。線基自熔合金粉末可分为银硼硅合 金粉末和線銘硼硅合金粉末两个类别，兹分述如下。1.1線硼硅合金粉末線硼硅合金是在線中加入适量的硼、硅元素形成的。其粉末颗粒 呈球形，合金熔点9001100Co随着硼、硅元素的增加，其硬度随之增 加，而硼对硬度的影响更大，故其含量一般宜控制在12%25%之间，过高 的硼含量会使粉末熔液表面张力增加而不易与基体金属润湿，因而熔融 合金在基体表面集聚成球铺展不开，喷
4、焊性能变坏，合金韧性降低。硅溶解于基体中，形成NiSi固溶体起固溶强化作用。但过高硅含 量(6%)的合金易形成B相，韧性降低。而过低硅含量(3%)合金熔液 变粘和熔点增高，喷焊性能变差。因此合金的硅含量控制在3%5%为 宜。该合金中没有形成碳化物的合金元素。为了避免出现碳硼化物和 游离碳，不使合金的塑性下降,合金中的碳应控制在0 l%o此外，合金 中的铁含量在1%12%内对粉末的硬度、熔点和喷焊工艺性能均无大的 影响。因此，采用硼铁生产粉末是经济可取的，但其带入的铁含量不宜 超过8%o線硼硅合金焊层的金相显微组织结构示于图2o基体是以银为基础 的置换式NiSi固溶体（丫相）。硅在線中最大的溶解
5、度约达9%。硅的 固溶使線熔点降低并得到强化。固溶体硬度为HV10168178。沉淀相是金属间化合物N13B和Ni3Si。Ni3B和钢中渗碳体的结构 相同，属于复杂的正交点阵结构，是一种硬质相,其显微硬度为 HV10450553。Ni3Si相的基线与NiSi固溶体的线相重,其超点阵线又 很弱，故不能直接辨认，通过计算可知其含量约为10%。银硼硅合金的硬度不高，具有良好的韧性、抗氧化性和耐急冷急热 性。在650C温度以下，有一定的耐磨性和耐蚀性，易于机械加工。線硼 硅合金可用于铸铁、钢、不锈钢以及工作温度低于600C的零部件的防 护和修复。特别适用于硬度要求不高的玻璃模具、塑料、橡胶模具的 防护
6、和修复以及铁、钢铸件缺陷的修补。1.2線銘硼硅合金粉末在傑硼硅合金中加入碳、铭元素，便形成線锯硼硅合金。这类合金 具有优良的自熔性，用途最为广泛。粉末颗粒呈良好的球形。锯在合金中溶解于線，形成NiCr固溶体而增加合金强度，并提高合 金的抗氧化性和耐蚀性。除此之外，銘还能生成硼化洛(Cr2B、CrB)和 碳化銘(Cr23C6、Cr7C3)等硬质化合物，与谋的硼化物(Ni3B、Ni2B)和 硅化物(Ni3Si)一起提高合金的硬度和耐磨性。增加合金中碳、硼、硅 等元素的含量，合金的硬度可以从HRC25提高到HRC65,但合金的韧性相 应降低。由于線銘硼硅是以银洛为基础的合金,故具有良好的耐蚀性，对大
7、 气、海水、蒸汽、碱、盐、硫酸、盐酸等都有较好的抗腐蚀能力，优于 18-8型不锈钢。但在氧化性酸(硝酸)中耐蚀性极差，这是硼与锯形成硼 化珞固溶体产生贫銘的结果。在線銘硼硅合金中加入铝、铜,可显着提高合金在非氧化性酸中的 耐蚀性，但在氧化性酸中的耐蚀性见效不大。另外，合金具有较宽的固 液相区间（约200C）,能改善粉末的喷焊工艺性能，有利于形状复杂工件 和厚涂层（2 5mm）的喷焊。在银洛硼硅合金中加入适量的钻或钩，可提 高合金的高温性能。钻固溶于奥氏体基体起阻止沉淀硬化析出相的聚 集作用，从而提高合金的热强性。钻还有利于喷焊工艺性能，一般钻加 入量以8%15%为宜。钩是强碳化物形成元素，由于
8、钩和碳形成复杂的 碳化物而特别耐磨，而且乂可提高合金的红硬性,所以合金在髙温下耐 磨性很好，一般加入量为10%15%。银銘硼硅合金含有较高的铁15%）,对合金的一些主要性能影响不 大。例如：采用含铁量14%的Ni60自熔合金，与含铁量2 5%的瑞士 12496同类牌号合金一起实验，两者的耐磨性、高温硬度和抗氧化性能 等基本相近。Ni60和12496合金耐磨性处于同一水平，均比GCrl5和45#钢提高45倍（4种材料硬度均为HRC60左右）。Ni60和12496合金属于完全抗氧化级，它们的抗氧化数据互有上下, 说明两种合金的抗氧化能力基本相同。另外，两种合金的热膨胀系数和 导热系数也相近。但是，
9、合金的含铁量过高，其耐蚀性明显降低（图7）。上述Ni60和12496实验结果表明，合金含铁量高除对耐腐蚀性能 有不利影响外，其它性能较好。但含铁量较高的合金生产成本低，因而 成为国内生产的主要产品之一。線珞硼硅系合金组织结构较复杂,基体为NiCr(Mo Cu)固溶体丫相，在基体上弥散分布硼化物(Ni3B、CrB M3B2),碳化物(M23C6、Cr7C3)以及硅化物(Ni31Sil2)等硬质化合物。图8为Ni60合金焊层显 微组织结构。其中M3B2, HV2704是主要的硬质相，碳化洛硬度HV1000 左右。Ni3B在高温条件下相当稳定，因此合金在高温条件下仍保持较高 的硬度。鉴于这类合金的组
10、元较多，往往是在固溶体上析出多种化合物, 在某些条件下，还可能形成有序超结构相。有关这方面的问题尚需继续 深入研究。银銘硼硅自熔合金综合性能优良，用途广泛,可用于强化和修复承 受金属摩擦磨损的工件，各种低应力磨料磨损的零件，耐蚀件和工作温 度不超过700C的零件，以及铸铁、钢件缺陷的补修。2、钻基自熔合金 粉末钻基自熔合金是在司太立(Stellite)系合金的基础上发展起来 的。司太立合金是着名的高温钻基合金，具有优良的高温性能,较好的 热强性、热蚀性、韧性以及冷热疲劳性能。这类合金以钻、锯、钩为主要成分,故通称CoCrW合金。在CoCrW合金中加入硼、硅元素，便形 成钻基自熔合金。钻基自熔合
11、金粉末颗粒亦呈球形。钻基自熔合金的金相组织结构基体为含銘的钻固溶体上弥散分布 大量的碳化物（Cr7C3 Cr23C6. WC）和硼化物（CrB、Cr2B）,如以線代 钻则还有Ni3B析出。由于钻基自熔合金中含有高硬度碳化物和硼化物，比CoCrW合金具 有更好的抗氧化能力和耐磨性，其高温硬度优于银基白熔合金。由于钻是稀有金属，因此钻基自熔合金粉末系列的发展受到了限 制。钻基自熔合金粉末一般用于较重要的耐高温磨蚀零件的强化和修 复。如高温高压阀门板和阀座，各种发动机的排气阀密封面以及用于热 腐蚀条件下的飞机发动机部件，液体玻璃孔板和轧钢导卫件等。为了节约钻元素，采用以银代替部分钻已成为钻基白熔合金
12、的研制 方向。研制中发现，含線高达10%29%的钻基自熔合金,其高温硬度和 耐磨性优于不含線的钻基合金。还发现钻基自熔合金中加入银能明显 降低合金电子空穴数NV,减少有害的Tep相（相等）的形成。通过各 种冷却方式实验和直接应用，喷焊层均未发现裂纹。在应用中据用户统 计,不含線的钻基合金喷焊层裂纹发生儿率达10%20%。3、铁基自熔 合金粉末铁基白熔合金有两种类型:不锈钢型和高洛铸铁型o不锈钢型自熔合金含有较多的線、銘、鹄、钳等元素，其中線高达37%,銘15%。这种合金除得到奥氏体基体外，还生成多种复杂的金属间 化合物和共晶化合物，如各种碳化物和硼化物等硬质化合物，因此比一 般不锈钢具有更高的
13、硬度和耐磨性。这类合金熔点较高，塑性范围较窄, 液态流动性较差，喷焊层渣子也多。采用氧乙块火焰一步法喷焊或等离 子堆焊，可获得良好的喷焊层。高銘铸铁型自熔合金含有较高的碳和銘,在合金中生成较多的Cr23C6和部分Cr7C3 CrB等金属间化合物。它有较高的硬度（HRC50 以上）和耐磨性，但合金脆性较大，可用在受磨粒磨损而不受强烈冲击的 工件上。铁基自熔合金粉末颗粒为球形。由于铁在高温容易氧化，夹杂物较 多，合金熔点较高，不利于喷焊和润湿作用差，而且容易产生脆性6相， 因此影响了铁基自熔合金的应用和发展。但是，由于银基和钻基自熔合金使用了大量贵重元素银和钻，粉末 成本高，不利于推广和应用。因此
14、铁基自熔合金粉末引起了人们极大的 兴趣。美国Metco公司为此作了大量的研究工作。国内有关单位也较 早进行开发，并在铁基自熔合金粉末系列化方面取得了较大进展。我们 的研究实践表明，只要合金化元素选配得当，合理控制雾化制粉工艺参 数，正确掌握喷焊工艺要领，便可获得熔点较低，氧含量较少，喷焊性能 良好的铁基白熔合金粉末涂层。铁基自熔合金组织结构较复杂。其基体为FeCr固溶体Y相 (HV25283287),共晶相 M3B2 (HV25420478)，点簇相(HV25613 773) o由于这些硬质相的存在，所以铁基自熔合金具有优良的耐磨性。铁基自熔合金粉末适用于铁路钢轨的修补，以及石油钻探、农机部
15、件、建筑和矿山机械等抗磨损零件的强化和修复。4、含碳化钩弥散 型自熔合金粉末含碳化钩自熔合金是一种超硬型自熔合金。在高硬度 線基、钻基自熔合金中加入25%35%的碳化钩颗粒，便形成含碳化钩弥 散型自熔合金。由于超硬度(HRC70以上)碳化钩颗粒弥散分布在高硬度 (HRC50以上)自熔合金基体中，大大提高了合金的耐磨性、红硬性和抗 氧化性。制取含碳化鹄自熔合金粉末有3种工艺方法，即雾化法、机械混合 法和烧结法。采用雾化法制取的粉末的化学成分和性能列于表4。碳化 餌H熔合金粉末呈球形，碳化镯颗粒包复在银基或钻基自熔合金粉末 内。采用这种包复型的含碳化鹄自熔合金粉末喷焊,具有化学成分均匀, 无宏观偏
16、析，碳化钩不易被氧化，喷焊工艺性能好等优点。含碳化鹄白熔合金的组织结构是在自熔合金基体上均匀分布着碳 化鹄颗粒。除基体合金组织结构外，还有结晶的WC及鹄線碳型复合碳 化物存在(图13)。合金基体Y相(HV25405),组成硬质相 WC(HV251525), M6C (HV251717), M12C (HV251132)和 M3B2 共晶(HV25689) 等。由于这些硬质相的弥散强化作用，使合金具有更高的耐磨性、红硬 性和抗氧化性。特别适用于抗高应力磨粒磨损工件的强化和修复。5、铜基自熔合金粉末铜基自熔合金粉末与線基、钻基、铁基自熔合金相比，其应用场合 较少。铜基自熔合金一般在含有锡、镭、银的
17、铜基合金中加入硼、硅 元素形成的。除此之外，含有一定量磷的铜基合金也有很好的自熔性。 磷具有降低合金熔点的优点并与基体有良好的润湿作用，本研制 Cul50(PW0 8%, Sn7%9%, Cu余量)，便属于该类型合金。合金粉末呈球 形。Cul50自熔合金的化学成分与海军铜相当，但耐磨性得到了改善，在 阀门密封面，低压水阀闸板工作面和承受动配合铜轴瓦等工件上得到了 应用。铜基自熔合金粉末国内很少，国外仅美国有所研究和报道。看来 铜基自熔合金还有一个发展阶段。6、结论已研制成功的上述各类IH熔合金多数含铁量较高，如線基自熔合金 含铁量为8%15%,钻基自熔合金含铁量为7%15%,含碳化鹄白熔合金
18、含铁量为11%14%。而国外同类合金含铁量一般W5%。高含铁量合金 除耐腐蚀性能较差外，其它性能如合金热膨胀系数和导热系数、粉末的 熔点、流动性、松装比、密度以及喷焊涂层硬度和耐磨性等，均与含铁 量低的合金基本相同。另外，钻基白熔合金含線量高达10%29%,但其 高温性能与着名的CoCrW合金也基本相当。由此可见，采用一部分比较 普通的元素代替比较贵重的元素不仅从技术性能上是可行的，而且还可 大大降低合金成本，故深受用户欢迎。通过研究证实，铁基和铜基白熔合金是有发展前途的。特别是铁基 自熔性粉末，只要化学成分搭配得当，制粉工艺参数选择合理，学握喷焊 工艺要领和采用相适宜的喷焊工艺，就可制备出性能良好的粉末和喷焊 涂层。各类自熔合金粉末均适应氧一乙块火焰喷焊和等离子堆焊。本研究课题负责人:顾徳骥;主要研究人员还有:牛澄波、吴雪芹、 陈徳宁、桂爱珍等。参考资料1上海钢铁研究所喷焊一喷涂用合金粉末系列研制总结.1981年7月 2上海钢铁研究所.合金粉末喷焊一涂层相鉴定.1981年7月3上海钢铁研究所.合金粉末喷焊一喷涂应用实例.1981年7月4上海钢铁研究所.国内外合金粉末分析比较.1981年7月5冶金部钢铁研究总院四室.線基热喷涂粉的相分析.见:冶金工业部热喷涂（焊）情报网会议交流资料.1982年10月6方世京.热喷涂（焊）技术.湖南省冶金研究所,1997年7月
